煤层气储层注入CO2 的研究

杨 娟

（西安石油大学，陕西西安 710065）

在地球大气层CO2浓度的增加对环境有很大的影响。全球表面温度已经升高以及温室气体总排量增加。虽然现在提出了一些缓解这些问题的方案，但是很少执行。减排温室气体的一个潜在的选择就是在深地质地层中隔离大量的CO2，例如，不可采的煤层，枯竭的油气藏或盐碱含水层。这些都具有存储潜力和经济效益，并且在其他地方也可以找到。一些因素导致并决定了潜在的存储位置，例如，生烃潜力，构造地质学，盆地历史和附近的基础设施（如管道和发电厂等）。

世界各地的一些实验研究表明向煤层中注入CO2可以达到双赢的效果，就是既可以安全的圈闭CO2又可以提高煤层气的采收率。常用的提取煤层气的方法就是通过抽水降低井内压力从而开采出煤层气，但是水通常是含盐和其他矿物质，所以都不被煤层表面接受，从而影响采收率。但通过用泵将CO2压入煤层就会置换出煤层气并将CO2封存在煤层中[1]。因为煤层表面对于CO2的吸附力大于甲烷，所以当煤层中注入CO2时，就会大量的吸附在煤层表面。注入CO2可以提高煤层的压力。煤层气的特性对于煤层中CO2的存储至关重要，这些特性如割理渗透率、煤层收缩/膨胀和煤层吸附/解析。

1 问题陈述

最近，几个研究已经解决了煤层中CO2储存的一些问题也提高了煤层气采收率。 然而，在煤层中注入CO2的长期流动和地质力学还没有被完全理解。通过长期注入CO2，需要解决CO2的运移和其对地面的反应。在本文的研究中，选择了一个活跃的煤层层序，通过注入CO2来研究地面反应和CO2运移。以阿巴拉契亚盆地北部的地层层序，通过使用水平井在不可采煤层中注入大量的CO2，然后评价存储潜能和提高煤层气采收率。当在测试区深煤层中心注入CO2时，通过使用位于外围的水平开发井，把深部和浅部的煤层气都可以采出来。对于煤层气开发和CO2的注入，水平井的使用对这个研究项目来说是独一无二的。

以阿巴拉契亚盆地北部为例，在注入区安装了36个高精度倾斜仪和绝对远程的GPS。用多相流和地质建模来预测CO2的运移并计算地面位移。注入之前要进行敏感性分析，研究甲烷生产和注入CO2的历史匹配性。还要考虑煤的特性，如吸附/解析和收缩/膨胀。本文描述了倾斜仪测出的CO2地面位移值和模型计算的地面位移值。先进的建模方法结合现场有限的高精度设备来开发和提高监测技术，通过地面测量来了解CO2的运移并评价长期存储的选择。

本文是以美国西弗吉尼亚州北部为例，来评价煤层气采收率以及恢复潜力。

2 研究区简介

研究区有茂密的森林和山区小溪，地面海拔差异大，从274 m 到最高的442 m 不等。研究区包括两个煤层，一个是匹兹堡煤层（上部煤层），另一个是Upper Freeport 煤层（下部煤层）。上部煤层的平均深度大约为213 m，下部煤层的平均深度大约为381 m，这两个煤层被厚182 m 的页岩和其他低渗透的岩层隔开了。上部煤层和下部煤层的平均厚度分别为2.0 m 和1.3 m[2]。现场操作是由康索尔和几个来自西维吉尼亚大学的研究人员共同完成的。能源部大约计划把18 144 t 的CO2用于这个项目。本文给出了第一次注入907 t CO2的现场监测和数值模拟结果[3]。

3 现场监测

3.1 地面监测工具的引进

对于优化任何储存CO2的储层来说，通过注入CO2，来监测流体流动和地面反应是至关重要的。在当前的研究项目中，几个监测程序被用来研究注入CO2和煤层气生产的各个方面。本文研究的重点在于，通过部署一组倾斜仪和GPS 接收器，来探讨注入CO2所引起的地面反应。地面监测工具如倾斜仪在过去几个实例中都有使用过。倾斜仪非常敏感，具有高精度，它能够测量的倾斜精度为1 纳弧度。倾斜仪网络可以被用来测量亚毫米范围的位移，这个位移是由于流体注入或采出所引起的表面扩张或者下沉所产生的。研究这些高精度仪器是用于长期监测注入CO2的操作。

3.2 现场监测阵列

研究区部署了一组36 个高精度地面倾斜仪和2个GPS 用于研究注入CO2的流动。现场安装的倾斜仪和GPS 接收器，倾斜仪的排列图（见图1），其中MH-18 和MH-20 分别是注入CO2的两个方向。监测排列的阵列要根据具体项目研究区的情况和排列的要求来定。倾斜数据和海拔高度的变化数据都会被研究区的中央处理单元定期的收集和处理。

CO2的注入始于2009 年9 月8 日，虽然有定期关井，但现在仍在继续。36 个倾斜仪和2 个GPS 接收器在注入CO2之前都已经被校准和优化。所有的倾斜仪和GPS 单元仍然继续记录和收集注入操作的数据。在这个例子中，只描述了CO2注入907 t，平均压力接近4.82 MPa 的结果[3]。

图1 倾斜仪的排列图

4 数值模拟

4.1 引言

除了倾斜仪，流体流动模型和地质建模也被用来研究CO2运移和计算地面位移。在一段时间内，比较建模和测量的结果。

4.2 历史匹配性和敏感性分析

煤层的三维多相流体流动模型都是用来提高煤层气的开采和用于注入CO2，这些都是基于研究区的地质详情。这些模型囊括了合并双孔隙系统、多相流体流动、复杂的储层几何形态、水平井轨迹、吸附/解析特征、夹层定位、渗透非均质性、储层压实和煤层的膨胀/收缩等多项特征。储层非常规特性，如原始含气量，原始含气成分，原始储层压力，原始储层温度，解析时间，这些都是研究所需的基本数据。这些煤层被网格化，分为1 600 个网格（X 与Y 都是203.2 cm），一个网格的尺寸为45.72 m[3]。模型的边界选择不仅要覆盖注入地区中心，而且还要覆盖边缘地区。

敏感性分析是研究非常规储层的地质特性。历史匹配性是用来确定对于每个储层最合适的选择。天然气产率要和天然气累计产量相匹配。现场注入CO2的量要和注入压力相匹配。

4.3 地质建模

除了多相流体流动模型，地质模型是使用有限元方法来计算研究区地面位移。有限元建模的结果与储层建模的结果是一致的。从有限元模型计算的地面位移范围为3.56 mm～4.6 mm[2]。

5 总结和结论

在本文的研究工作中，通过注入CO2来了解CO2的运移和研究地面位移。研究区安装了36 个高精度倾斜仪和2 个GPS 接收器用于研究CO2的运移。倾斜仪和所有仪器在注入CO2之前已经被校准。通过倾斜仪测出的最大地面位移为3.3 m[3]。而通过模型计算的表面位移为3.56 mm～4.6 mm。只有当先进的建模方法和现场高精度的仪器设备相结合，才能更好的发展或提高监测技术。

根据美国成熟地区煤层气采收率估计，一般煤层气资源可采系数在10～50，中值为30 %。我国煤层气储量增长高峰值在2040 年左右，最终煤层气资源探明率达40 %～50 %，中值45 %。最终可探明煤层气储量（30～40）×1012m3[4]。煤层气资源非常丰富，所以提高煤层气采收率对于我国发展经济是很重要的。我国现在对于煤层气的开采技术也日渐成熟，如CO2置换技术，为了更进一步的提高煤层气采收率，对于注入CO2的监测和研究是少不了的。

［1］ 中国化工网.二氧化碳在煤层气抽采中的双重作用，2010.

［2］ Wilson，T.H，H.Siriwardane，L.Zhu，R.A.Bajura，R.A.Winschel，J.E. Locke，and J.Bennett.2012.Fracture model of the Upper Freeport coal，Marshall County West Virginia pilot ECBM and CO2sequestration site.Int.J.Coal Geology 104，70-82.

［3］ Gondle，R.K.siriwardane，H.J.Field Monitoring and Modeling of CO2Injection into an Unmineable Coal Seam.ARMA 14-7187.

［4］ 刘洪林，王红岩，李景明，李贵中.利用CO2置换技术开采我国深部煤层气资源的可行性分析［G］.中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院，2010.